一种可控气氛的压力辅助烧结大面积纳米银焊膏的装置及方法与流程

本发明涉及一种可控气氛的压力辅助烧结大面积纳米银焊膏的装置及方法，具体涉及一种为利用压力辅助烧结大面积纳米银焊膏连接功率器件于铜基板或覆铜陶瓷基板(DBC)提供可控烧结气氛的加热装置，及在可控气氛环境中压力辅助烧结纳米银焊膏连接功率器件于铜表面的方法。

背景技术：

低温烧结纳米银焊膏因其烧结温度低、熔点高、导电导热性能好及可靠性高等优点，已逐步替代焊料互连、导电胶固化等其他芯片互连技术，成为电子封装领域的研究热点。为保证基板和焊膏层间的良好连接，目前市场上多采用表面镀有银层的铜基板或DBC基板，但这无疑增加了生产成本，且银镀层和铜表面之间成为了易产生裂纹源部位。这使得芯片与裸铜间的连接成为了电子产业的关注焦点。

纳米银焊膏是纳米级银颗粒与有机物组成的混合物，一定温度下有机物需在氧气中完全热解，才能保证银颗粒间形成烧结颈和致密化行为不受阻碍，形成固相连接，而金属铜受热会发生氧化，严重影响接头性能。因此芯片与铜表面的连接需控制烧结气氛的含氧量，或在一定的惰性气氛中进行，如氮气与氢气组成的混合气体。但究竟含氧量为多少，何种烧结气氛下接头质量最好，则有待进一步研究。

低温烧结纳米银焊膏应用于大面积芯片连接时，由于有机物挥发和氧扩散不完全，常会引起芯片顶起、连接性能差等问题。为此往往需要在烧结过程施加压力，提供烧结驱动力，提高接头的连接质量。

因为实现芯片与铜表面的连接，需在惰性气氛干燥，在一定的真空环境或通入混合气氛加压烧结，因此烧结炉需兼具可通入惰性气氛、满足一定的真空度，亦可加压等功能。然而目前常见的烧结炉可控真空度较差、不能精确控制混合气氛的比例，且不能兼具抽真空、施压，及通入可控混合气氛的功能。因此需要发明新的装置，可通入气氛对连接结构进行干燥，亦可提供真空环境、施加压力，来探索烧结气氛的含氧量及烧结工艺，进一步实现大面积功率芯片和铜表面的可靠连接。

技术实现要素：

本发明是针对低温烧结纳米银焊膏实现大面积功率芯片和铜表面连接要求，提出了一种结构合理、安全可靠、可操作性强的可控气氛压力辅助烧结纳米银焊膏的装置，及一种可控气氛的压力辅助烧结纳米银焊膏的方法。

本发明的技术方案如下：

一种可控气氛的压力辅助烧结大面积纳米银焊膏的装置，包括不锈钢支架及固定在支架上的不锈钢真空电炉、炉盖、手轮和丝杠；炉盖上表面和丝杠连接处设有压力传感器，万向压头从炉盖上表面贯穿至真空电炉内；真空电炉前侧壁面上密封连接有观察窗；真空电炉侧壁上密封连接有两个通气阀和一个真空阀，通过气体管路与真空泵、气瓶相连；通气阀另一侧密封连接有压力表，压力表正上方设置有真空电阻规；真空电炉内有加热台，通过热电偶和热电极与外部温控仪相连。

所述不锈钢支架上设置有手轮和丝杠，通过手轮的回转运动转换成丝杠的直线运动，对炉内试样施压。

所述不锈钢真空电炉上设有压力传感器，实时记录所施加压力值。

所述不锈钢真空电炉内的万向压头，实现以15度角绕中心运动，自动校准，与试样表面保持平行。

所述不锈钢真空电炉包括两个通气阀和一个真空阀，各通气阀通过气体管路与混气室或气瓶连接，真空阀通过气体管路可与真空泵连接，对炉内进行抽真空。

所述不锈钢真空电炉外接混气室，混气室包含两个进气阀和出气阀，与进气阀相连的气体管路可连接两流量计，控制气体配比。

利用本发明的装置实现可控气氛的压力辅助烧结大面积纳米银焊膏的方法，将用纳米银焊膏连接的芯片与铜基板或DBC基板的连接结构放在真空电炉内的加热台上；打开两通气阀，向某一通气阀通入氮气，开启温控仪，按照预先设定的各项参数干燥；干燥结束后，转动真空电炉上方的手轮，通过万向压头对加热台上的连接结构施加压力，所施压力可通过压力传感器读出；若需控制烧结气氛中的含氧量，打开真空阀，通过真空泵抽真空，直至达到所需真空度，关闭真空阀；若烧结气氛为混合气体，打开两个通气阀，向某一通气阀通入混气室中的混合气体，二者的配比通过流量计进行调节；待炉内空气排尽后，开启温控仪，加热台开始按照预先设定的各项参数烧结连接结构中的纳米银焊膏。

本发明的效果：

1、装置集成通入气氛、提供真空环境、加压和精确控制烧结气氛配比等功能，干燥过程和加压烧结过程可在同一烧结炉中进行，操作简单。

2、按照图3的烧结工艺曲线，炉内含氧量为2000ppm时，接头的剪切强度最好。

3、由于炉体为不锈钢结构，装置整体美观牢固。

4、炉体上装有电阻规和压力表，可即时得知箱体内真空度、压力，操作性大大增强。

5、烧结气氛中含氧量可通过抽真空精确控制，烧结气氛配比可通过混气室得到精确调节，进而探索合适的烧结气氛，控制精准。

6、通过旋转手轮可对试样施压，万向压头可自动校准，与试样表面平行，可实现精确施压。

附图说明

图1：发明装置的外观结构示意图。

图2：发明装置的剖面示意图。

图3：该发明具体实施方式中采用的一种烧结工艺曲线。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的装置如下：一种可控气氛的压力辅助烧结大面积纳米银焊膏的装置，包括不锈钢支架(1)及固定在支架(1)上的不锈钢真空电炉(2)、炉盖(3)、手轮(4)和丝杠(5)；所述炉盖(3)上表面和丝杠(5)连接处设有压力传感器(6)，万向压头(7)从炉盖(3)上表面贯穿至真空电炉(2)内；所述真空电炉(2)前侧壁面上密封连接有观察窗(8)；所述真空电炉(2)以观察窗(8)为中心，逆时针旋转方向上，密封连接有两个通气阀(9)和一个真空阀(10)，通过气体管路可与真空泵、气瓶相连；所述真空电炉(2)与通气阀(9)正对方向的另一侧密封连接有压力表(11)，压力表(11)正上方安有真空电阻规(12)；所述真空电炉(2)内有加热台(13)，通过热电偶和热电极与外部温控仪相连。

所述不锈钢支架(1)上装有手轮(4)和丝杠(5)，通过手轮(4)的回转运动转换成丝杠(5)的直线运动，可对炉内试样施压。

所述不锈钢真空电炉(2)上设有压力传感器(6)，可实时记录所施加压力值。

所述不锈钢真空电炉(2)内的万向压头(7)，可实现以15度角绕中心运动，自动校准，与试样表面保持平行。

所述不锈钢真空电炉(2)前侧面设有观察窗(8)，便于观察炉内试样。

所述不锈钢真空电炉(2)包括两个通气阀(9)和一个真空阀(10)，各通气阀通过气体管路可与混气室或气瓶连接，真空阀通过气体管路可与真空泵连接，对炉内进行抽真空。

所述不锈钢真空电炉(2)设有压力表(11)和真空电阻规(12)，可实时监测炉内的真空度和压强。

所述不锈钢真空电炉(2)内装有加热台(13)，热电偶和热电极嵌入加热台内，可准确监测试样的温度。

所述不锈钢真空电炉(2)可外接混气室，混气室包含两个进气阀和出气阀，与进气阀相连的气体管路可连接两流量计，精确控制气体配比。

本发明可控气氛的压力辅助烧结大面积纳米银焊膏装置的操作过程如下：

首先，将纳米银焊膏均匀涂抹在铜表面，制备芯片-纳米银焊膏-铜基板连接结构。然后打开炉盖，将该连接结构放置在加热台(13)上。打开两个通气阀(9)，通入氮气，打开温控仪，设定干燥过程中的各项参数。干燥结束后，旋转手轮(4)，观察压力传感器(6)，对该连接结构进行施压。若需精确控制炉内含氧量，关闭通气阀(9)，打开真空阀(10)，与真空泵连接，对炉内进行抽真空，观察电阻规(8)直至达到所需要的真空度，关闭真空阀(10)和真空泵。烧结过程结束后，旋转手轮(4)卸载，打开通气阀(9)和炉盖，取出试样。若采用其他烧结气氛，如氮气和氢气组成的混合气体，此时向混气室内分别充入氮气和氢气，二者的配比由流量计进行调节，打开任一通气阀(9)，充入混合气体，同时打开另一通气阀。待炉内的空气排空后，打开温控仪，设定烧结过程中的各项参数。烧结过程结束后，旋转手轮(4)卸载，关闭进气阀和炉盖，取出试样。

实施例1

1、制样：将纳米银焊膏均匀涂抹在铜表面，保证表面平整光滑，将芯片覆盖在焊膏上，制备芯片(6.5mm×6.5mm×0.12mm)-纳米银焊膏-铜基板(20mm×20mm×1.5mm)连接结构。

2、放样：打开炉盖，将该连接结构放置在加热台(13)上。

3、干燥：打开通气阀(9)，向某一通气阀通入氮气，打开温控仪，按图3所示的加热曲线，以5℃/min的升温速率上升至180℃，保温10min。

4、施压：旋转手轮(4)，对该连接结构进行施压，当压力传感器(6)读数为60.5kgf时(即2MPa时)，停止施压。

5、通气：打开真空阀(10)和真空泵，对炉内进行抽真空，观察电阻规直至达到真空度为1000Pa，此时炉内含氧量为2000ppm，关闭真空阀(10)和真空泵。

6、加热：打开温控仪，以20℃/min的升温速率上升至270℃，保温10min。

7、取样：烧结结束后，旋转手轮(4)卸载，打开通气阀(9)和炉盖，取出试样。

实施例2

1、制样：将纳米银焊膏均匀涂抹在铜表面，保证表面平整光滑，将芯片覆盖在焊膏上，制备芯片(6.5mm×6.5mm×0.12mm)-纳米银焊膏-铜基板(20mm×20mm×1.5mm)连接结构。

2、放样：打开炉盖，将该连接结构放置在加热台(13)上。

3、干燥：打开通气阀(9)，向某一通气阀通入氮气，打开温控仪，以5℃/min的升温速率上升至200℃，保温10min。

4、施压：旋转手轮(4)，对该连接结构进行施压，当压力传感器(6)读数为30.3kgf时(即1MPa时)，停止施压。

5、通气：打开混气室的两个进气阀和出气阀，将出气阀与通气阀(9)相连，向混气室内分别充入氮气和氢气，二者的配比由流量计进行调节，打开通气阀(9)，充入混合气体。

6、加热：打开温控仪，以20℃/min的升温速率上升至260℃，保温30min。

7、取样：烧结结束后，关闭混气室的进气阀；旋转手轮(4)卸载，打开炉盖，取出试样。

按照上述实施方式，接头的平均剪切强度都大于30MPa，当干燥温度和时间为180℃/10min、烧结温度和时间为270℃/10min、施加压力为2MPa、炉内含氧量为2000ppm为最佳工艺，剪切强度可达50MPa，完全可以满足电力电子领域的的力学性能要求。

以上只是对本发明进行了示例性说明，本发明的具体实现方式并不局限于此。任何采用本发明的构思和技术方案进行的非实质性修改，均在本发明的保护范围之内。